某市政公路隧道分岔大跨段施工方案优化

某市政公路隧道分岔大跨段施工方案优化摘要：以某市政公路隧道分岔大跨段施工为例，根据勘探及揭示的地质情况，在中风化砂岩及石英砂岩地层中，结合市政公路矿山法隧道施工的干扰性，通过对设计方案的优化，采用双侧壁导坑法、CD法、台阶法等多种工法的连续转换以及小净距段的混凝土置换法，将施工顺序、导坑尺寸等进行了调整，在确保安全质量的前提下加快了施工进度、降低了施工风险及难度，实现了市政公路隧道快速施工的目的，为以后同类地质条件下的隧道分岔大跨段施工可提拱借鉴及参考。

关键词：矿山法隧道；分岔大跨段；方案优化；快速施工
随着我国地下空间的不断开发，公路隧道建设进入了高速发展期，在市政公路隧道建设中，越多的空间利用受限，受地域限制、线性布置、道路连接以及功能使用等多方面因素影响，需考虑多重隧道组合，便有了我们所说的分岔隧道。

分岔隧道连接处，隧道布置形式特殊、受力结构复杂，短距离内分离式隧道逐渐重合，需要经历小净距、超小净距以及大跨度断面，公路隧道建设中称之为分岔大跨段[7]。

目前在国内外对分岔大跨段的研究也很成熟，从受力计算、三维模拟、变形控制、安全控制等多方面均有很大的成就，但在复杂的市政工程环境下，如何根据地质情况，在保障安全、质量的前提下，加快施工进度、减小环境影响是关键。

根据我国在分岔大跨段涉及的小净距、大跨度规范及指南要求，并借鉴长沙营盘路[6]等隧道分岔大跨段的施工经验，本文以某隧道分岔大跨段施工为例，通过对设计方案的优化，采取各项保障措施，达到了快速施工的目的，为类似工程的推进奠定了基础。

1 工程概况
1.1 工程简介
某市政公路隧道线路全长2.3km，由两条主线及两条匝道组成，两条匝道洞口位于两条主线斜上方，匝道与主线在分岔大跨段合流，合流点以北为单向双车道，以南为单向三车道，其中西线分岔大跨段过渡长度124.96m，东线分岔大跨段过渡长度133.7m。

1.2 地质情况
西线分岔大跨段洞身主要穿越中风化石英砂岩、中风化砂岩、糜棱岩及碎裂岩，岩体较破碎，围岩等级为Ⅴ级，隧道开挖时，无涌水涌泥现象，有少量基岩裂隙水，稳定性较好；东线分岔大跨段洞身主要穿越中风化石英砂岩及中风化砂岩，岩体较完整，围岩等级为IV级，有少量基岩裂隙水，稳定性好。

2 原设计方案
2.1 总体思路
该隧道由两车道合流至三车道，依次经过小净距段、大断面及过渡段，此时分岔大跨段采用6种断面突变进行过渡，设计采用6种施工工法：CD法、CRD 法、双侧壁导坑法、双连拱法、环向扩挖法、纵向导洞法，隧道断面大、断面类型多、各断面纵向长度短，隧道洞身采用复合式衬砌结构。

为确保施工安全，进入小净距段后采用双连拱法施工，中洞法替换中间岩柱；进入大断面过渡段，先采用纵向导洞及帷幕注浆超前加固，利用横向导坑法扩挖形成大断面，再根据断面尺寸由大到小依次过渡，因每种断面中导坑初期支护不
连贯，两侧导坑纵向均不能形成可连贯施工通道，只能依次顺序施工，即每个断面完成后才能进入下一个断面施工。

2.2 小净距段施工
分岔大跨段涉及小净距段38m，其中超小净距段13m，最小净距50cm，采用双连拱工法进行施工，即先超前施工横向导坑、纵向导洞，中洞法替换中间岩柱，再单侧施工主线及匝道。

2.3 大断面施工
主线与匝道合流处，断面273m2，高13m、宽23m，设计采用双侧壁加横向导坑法形成大断面，由两个小断面合并形成大断面。

大断面如图1所示。

图1 大断面横断面图
第一步：两侧小断面以导坑的形式进入大断面，纵向3m范围内扩挖三层支护空间，先施作左右侧壁第一层支护。

第二步：施作第二、三层支护，采用模筑混凝土封闭。

第三步：弃渣回填，架设临时支撑，横向开导洞，拱部扣拱，大断面形成，按正常双侧壁工法施工大断面剩余段落。

3 优化后设计方案
3.1 小净距段施工
因小净距段设计原理是替换中间岩柱，化解左右侧隧道开挖时的风险，设计为双连拱形式，利用中导洞进行替换，为更快速替换、减少复杂工序、避免衬砌分部施工，调整为单侧隧道扩挖并喷砼回灌替换，优化后零距近接无导洞法，实施后效果明显，支护体结构稳定。

优化后小净距段横断面如图2所示。

图2 优化后小净距段横断面图
3.2 大断面施工
3.2.1 整体方案
参照原设计方案，未考虑两车道小断面至合流大断面的过渡，强制将小断面调整为大断面存在工序转换频繁、作业空间狭小，扩挖挑顶将多次扰动围岩，施工难度大、安全风险高，若出现失稳，应急救援难度相当大。

为解决难度大、安全风险高的问题，经研究分析，将左右两侧导坑加大，与原有两车道断面相似，中间导坑依次减小，两侧导坑可连贯施工，优化为一体化双侧壁导坑法施工。

调整后可以采用两侧导坑超前施工，一方面便于大型机械的作业，也便于快速施工，及时封闭支护体，保障现场安全，另一方面可顺向渐变进入三车道，反向渐变施工大断面，避免了强制过渡，由小到大依次渐变，平稳过渡，并快速实现隧道两端的接应施工。

优化后大断面变换处施工顺序如图3所示。

图3 优化后大断面变换处施工顺序图
3.2.2 施工工艺
调整后的双侧壁工法共分为6步，预留一道横向临时支撑作为临时仰拱，支撑顶高度与两车道主线及匝道的行车面基本平行，根据监控量测情况，若变形异常及时施作临时仰拱并模筑混凝，若变形稳定则根据先后顺序，架设栈桥同步施工。

施工顺序由北向南先施工右侧壁导坑①、②部，一次经过D\C两种断面，进入B型断面后将双侧壁导坑法变为CD法，进入A型断面将CD法继续扩挖，
形成大断面；由南向北施工右侧壁导坑③、④部，此时从A至D断面，先CD 法扩挖，再双侧壁扩挖；由南向北施工中侧壁导坑⑤、⑥部，此时先扣拱，初支封闭成环后，再拆临时支撑，根据监控量测情况，若出现异常先施作仰拱填充再拆支撑，若变形不稳定先施作拱墙衬砌再拆支撑。

优化后大断面如图4所示，具体步骤如下：
图4 优化后大断面支护横断面图
第一步：左右侧壁导坑均在原有两车道断面的基础上设置6榀拱架将初期支护拱部渐变抬高，导坑外侧为大断面标准尺寸。

第二步：右侧壁导坑拱部抬高进入大断面标准尺寸后（D型），可连续施工一段距离；施工至下一处突变断面时（C型），因导坑外侧净空回收，为保障正常断面宽度、行车及台架等作业空间不受限，则中间临时支撑需要往断面中间调；平面位置设置7榀拱架进行横向渐变，逐渐进行断面的过渡，保障导坑间的连续；此时左侧壁导坑横向跨度不变，拱部结合断面大小适当降低。

第三步：右侧壁导坑进入下一断面的标准尺寸后（C型），可连续施工一段距离；施工至下一处突变断面时（B型），参照第二步同样原理，利用横向渐变
进入下一处突变断面；此时左侧壁导坑横向跨度仍不变，拱部结合断面大小适当降低。

第四步：前面两种断面（D\C型）均为双侧壁导坑法施工，进入下一突变断面后（B型），采用CD法施工，同样可连续施工一段距离；施工至下一处突变断面时（A型），参照上述步骤原理，利用横向渐变进入下一处突变断面。

第五步：进入最后一个断面后（A型），基本已进入三车道，此时可利用CD 法继续横向渐变，逐渐形成标准全断面；形成标准断面后继续按标准断面往前施工20～30m，拉开纵向操作空间。

第六部：纵向操作空间拉开后，即右侧壁导坑已全部施工完成，此时可反向开挖左侧导坑，从A型断面至D型断面依次进行，其中A型断面反向施工也可称为反向扩挖形成标准断面，按总体安排中的双侧壁工法或CD法，安全稳定的施工左侧壁导坑，直至贯通。

第七步：左、右侧侧壁导坑施工完成后，反向施工双侧壁导坑段的中导坑，直至贯通。

3.3 注浆加固体系
小净距、大断面涉及到扩挖、挑顶、渐变施工，过程中为保障围岩的稳定性，需要提前进行加固，利用注浆固结支护体拱部以及边墙岩体，避免滑塌影响。

此项工作作为关键工序纳入正常工序管理，掌子面开挖前进行超前注浆，围岩软弱或裂隙水呈股状出水时，采用帷幕注浆，初期支护完成后，进行背后回填注浆，同步进行径向注浆加固。

通过注浆工艺的控制以及工序的纳入，初期支护封闭后，无开裂等隐患，安全稳定、质量可靠。

4 优化前后对比
方案优化后工序简化、工法明了、施工难度降低、作业效率高、安全风险低，在工期上节约8个月，在成本上节约500万，在社会效益上获得了良好的评价。

优化前后对比如表1所示。

5 监控量测
优化后，拱顶下沉、周边收敛变形均远小于规范值，最大变形速率2mm/d，累计变形25mm。

监控量测统计如表2、图5所示。

由表2和图5可知，左右侧壁导坑变形比较均衡，先行导坑会在后行导坑开挖过程中出现短暂突变，但很快趋于稳定，说明后行洞对先行洞会造成一定的影响；中侧壁导坑累计变形最大，且变形持续较快发展，在中导坑下部施工后仰拱初支已封闭成环，此时变形有减缓趋势，仰拱施工前进行了支撑拆除，此时变形又有上升趋势，但逐步趋于稳定，说明双侧壁导坑法施工时，变形最大、风险最高，竖向支撑作用较大，施工时需根据监控量测情况适时拆撑，确保安全，仰拱封闭后变形能趋于稳定，控变形效果明显。

6 爆破对周边环境的影响
表1 优化前后对比表
表2 监控量测统计表
图5 典型断面变形历时曲线图
该项目分岔大跨段以北为高档居民小区，爆破作业受限，分岔大跨段采用单侧导坑先行，另一侧导坑及中导坑未反向开挖，其爆破冲击波的方向不再冲出洞口，极大地减小了隧道爆破施工对洞口附近的居民小区建筑物的冲击波影响。

洞口距离小区100m，分岔大跨段距离洞口280m，单段起爆药量最大13kg，经小区建筑物不同点位爆破影响数据监测，正向开挖产生的爆破振动数据为0.05～0.1cm/s，瞬间噪声值为80dB左右，反向开挖产生的爆破振动数据0.02～0.03cm/s，瞬间噪声值为65dB左右。

7 结论及建议
（1）砂岩风化地层、基岩裂隙水少、具有一定稳定性的V级围岩进入小净距段施工，可利用扩挖回填法代替双连拱施工，此方法可以加快施工效率、快速封闭、减少衬砌分部施工带来的不便，但施工前需充分了解围岩情况，并做好围岩加固措施。

（2）隧道分岔大跨段施工，大体分为两种，第一种是由合流处向分岔处施工，第二种是从分岔处向合流处施工，第二种方法最为有利，但需结合隧道布置情况以及整体工筹而定。

（3）隧道分岔大跨段若由分岔处向合流处施工，则可以采用渐变方式进行，实现连续施工、交叉作业，达到加快施工效益、减小安全风险、降低施工难度；大断面处需避免复杂工序，减少围岩裸露时间，及时封闭成环；断面之间的变化尽量优化至最优，达到机械化作业，利用机械作业减少人工作业强度，加快效率、降低风险。

（4）隧道小净距、大跨度、变断面处施工风险较高，易发生围岩失稳滑塌现象，施工前需加强超前支护，做好各项围岩加固措施。

（5）利用渐变施工分岔大跨段，拱架尺寸多，加工以及施工过程中常出现乱用现象，后期如何做好加工以及安装的准确把控是关键。

（6）在围岩破碎或稳定性较差时，超前帷幕注浆如何做到最优，需要后续结合不同地质情况以及断面布置形式进行考虑。